Nghiên cứu khả năng hấp thụ và cơ chế phân hủy nước của chất xúc tác mos2 pt bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGÔ LỮ THANH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ CƠ CHẾ PHÂN HỦY NƢỚC CỦA CHẤT XÚC TÁC MoS2-Pt BẰNG LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Đà Nẵng - Năm 2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 16990151600671000000 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGÔ LỮ THANH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ CƠ CHẾ PHÂN HỦY NƢỚC CỦA CHẤT XÚC TÁC MoS2-Pt BẰNG LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ Chuyên ngành: Hóa lý thuyết hóa lý Mã số: 44 01 19 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS PHẠM LÊ MINH THÔNG Đà Nẵng - Năm 2020 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu 4 Đối tƣợng nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa đề tài Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT HIDRO TỪ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY NƢỚC 1.1.1 Sơ lƣợc sản xuất hidro 1.1.2 Quán trình phân hủy nƣớc 1.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XÚC TÁC 2D – MoS2 19 1.2.1 Sơ lƣợc vật liệu xúc tác 2D 19 1.2.2 Xúc tác MoS2 23 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ 27 2.1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ 27 2.2 NGUYÊN LÍ CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ 28 2.2.1 Mở đầu 28 iv 2.2.2 Tiền thân phƣơng pháp DFT 29 2.2.3 Thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) 30 2.2.4 Phƣơng trình Kohn-Sham 31 2.2.5 Hàm lƣợng tƣơng quan trao đổi 32 2.4 ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA DFT 34 2.4.1 Ƣu điểm 34 2.4.2 Nhƣợc điểm 35 2.5 PHƢƠNG PHÁP TÍNH 36 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Các cấu trúc MoS2 hoàn hảo MoS2 khiếm khuyết 38 3.2 Đặc điểm Pt đơn nguyên tử cụm nguyên tử Pt4 41 3.3 Cấu trúc MoS2 hoàn hảo MoS2 khiếm khuyết bị pha tạp 42 3.4 Sự hấp phụ nƣớc vật liệu xúc tác 48 3.5 Sự phân hủy nƣớc xúc tác MoS2–VS–Pt4 54 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DFT Density functional theory VASP The Vienna initio Simulation Package STH Solar to hydrogen PEC Photoelectrochemical OER Oxigen evolution reaction HER Hydrogen evolution reaction RHE reverse hydrogen electrode NHE Normal hydrogen electrode KS Kohn – Sham HF Hartree – Fock LDA The local density approximation GGA the generalized gradient approximation DOS Density of state VS Khiếm khuyết nguyên tử S vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng Trang bảng 3.1 Kết độ dài liên kết, góc liên kết, lƣợng gắn kết, độ rộng vùng cấm, điện tích nguyên tử Pt 47 vật liệu MoS2-Pt, MoS2-VS-Pt, MoS2-VS-Pt4 3.2 Cấu trúc phân tử H2O trƣớc sau hấp phụ lên vật liệu xúc tác MoS2, MoS2-Pt, MoS2-VS-Pt, MoS2 – VS – Pt4 – H2O 50 53 Hình 3.15: Cấu trúc điện tử (DOS) vật liệu MoS2-Pt hấp phụ H2O (MoS2-Pt-H2O) Hình 3.16: Cấu trúc điện tử (DOS) vật liệu MoS2-VS-Pt hấp phụ H2O (MoS2-VS-Pt-H2O) 54 Hình 3.17: Cấu trúc điện tử (DOS) vật liệu MoS2-VS-Pt4 hấp phụ H2O (MoS2-VS-Pt4-H2O) 3.5 Sự phân hủy nƣớc xúc tác MoS2–VS–Pt4 Để hiểu chế phản ứng trình phân tách H2O, đƣờng lƣợng tối thiểu phản ứng phân tách nƣớc đƣợc nghiên cứu phƣơng pháp CI-NEB Đầu tiên, phân tử nƣớc trạng thái khí tiến đến nguyên tử Pt Các phân tử nƣớc nguyên tử Pt trung tâm bám chặt bề mặt MoS2 khiếm khuyết tạo thành liên kết Pt–O với chiều dài 2,332Å Sau hấp phụ phân tử H2O, độ dài liên kết Pt–Pt có thay đổi khơng đáng kể Góc liên kết H–O–H phân tử H2O trở nên lớn so với phân tử nƣớc tự Khi trình phân hủy nƣớc diễn ra, hai liên kết O–H (O – Ha) kéo dài để đạt đến trạng thái chuyển tiếp Vƣợt qua trạng thái chuyển tiếp, nguyên tử Ha di chuyển liên kết với nguyên tử Pt trung tâm để 55 đạt đến trạng thái cuối Khoảng cách O–Ha trạng thái cuối đƣợc xác định 3.492Å Hình 3.18 mơ tả cấu hình H2O bị phân cắt liên kết bề mặt MoS2–VS–Pt4 Hình 3.18: Sự phân hủy nƣớc vật liệu MoS2-VS-Pt4 Tại trạng thái đầu, phân tử nƣớc liên kết với nguyên tử Pt tạo thành liên kết O–Pt có độ dài 2,332Å Độ dài liên kết O–H bị giãn từ 0,972Å phân tử nƣớc tự đến 0,97626Å trạng thái chuyển tiếp Khi trình tách nƣớc diễn ra, liên kết O–Ha tiếp tục bị kéo giãn Ở bƣớc này, liên kết O–Ha bị bẽ gãy, tạo nguyên tử Ha để tạo liên kết với Pt Lúc này, độ dài liên kết Ha–Pt 1.680Å liên kết Pt–O có độ dài 1.932Å Hình 3.19: Giản đồ lƣợng phân tử nƣớc trạng thái trình phân hủy vật liệu xúc tác MoS2-VS-Pt4 56 Thông qua phƣơng pháp tính tốn, tính đƣợc chênh lệch mức lƣợng phân tử nƣớc trạng thái khác trình phân hủy Sự chênh lệch lƣợng phân tử trạng thái đầu trạng thái chuyển tiếp tính tốn đƣợc 0.917eV, giá trị lƣợng hoạt hóa cho trình phân cắt liên kết OH phân tử nƣớc Bên cạnh đó, kết tính tốn cho thấy, chênh lệch mức lƣợng trạng thái đầu trạng thái cuối khoảng 0.126eV Giá trị tƣơng đƣơng với lƣợng nhiệt động học trình cắt đứt liên kết O-H cho thấy đƣợc trình tự diễn biến 57 KẾT LUẬN Bằng cách tính tốn lý thuyết phiếm hàm mật độ, nghiên cứu tính tốn đƣợc kết nhƣ sau: - Độ rộng vùng cấm vật liệu pha tạp cụm nguyên tử Pt4 giảm đáng kể so với vật liệu MoS2 ban đầu pha tạp nguyên tử Pt Với vật liệu MoS2-VS-Pt4 có độ rộng vùng cấm vào khoảng 0.157eV, điều cho thấy khả dẫn điện vật liệu đƣợc cải thiện rõ rệt Bên cạnh đó, kết cịn cho thấy cụm ngun tử Pt4 liên kết với bề mặt vật liệu MoS2 (với lƣợng liên kết 5.218eV) chặt chẽ so với pha tạp Pt nguyên tử lên vật liệu MoS2 - Từ kết tính tốn DFT cho thấy hấp phụ H2O vật liệu MoS2-VS-Pt4 xảy thuận lợi vị trí nguyên tử Pt đỉnh cụm Pt4 đính MoS2 khiếm khuyết Giá trị lƣợng hấp phụ nƣớc lên vật liệu MoS2-VS-Pt4 vào khoảng 0.479eV - Bằng phƣơng pháp Bader, tính tốn điện tích nguyên tử cho thấy chuyển 0.095e từ H2O sang bề mặt Pt4 trình hấp phụ Thêm vào tính tốn đƣợc lƣợng hoạt hóa để cắt đứt liên kết O-H vật liệu MoS2-VS-Pt4 0.917 eV q trình giải phóng lƣợng 0.126eV Tóm lại, nghiên cứu chúng tơi góp phần nhỏ vào hiểu biết khả hấp thụ chế phân hủy H2O bề mặt vật liệu MoS2 – Pt, MoS2 – VS – Pt, MoS2 – VS – Pt4 với hy vọng góp phần vào việc phát triển hệ vật liệu có tính chất ƣu việt làm xúc tác cho q trình quang hóa quang điện hóa phân hủy nƣớc 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Altmann, M., et al., (2004), “Potential for Hydrogen as a Fuel for Transport in the Long Term” (2020 - 2030), in Technical Report Series, H Hernandez, Editor Institute for Prospective Technological Studies p 174 [2] Anchalee Junkaew, Chompoonut Rungnim, Manaschai Kunaseth, Raymundo Arróyave, Vinich Promarak, Nawee Kungwan, and Supawadee Namuangruk (2015), “Metal cluster-deposited graphene as adsorptive materials for m-xylene”, New J Chem [3] Bard, A.J and M.A Fox (1995), “Artificial Photosynthesis: Solar Splitting of Water to Hydrogen and Oxygen”, Accounts of Chemical Research, 28: p 141-145 [4] Bing Han & Yun Hang Hu, “MoS2 as a co-catalyst for photocatalytic hydrogen production from water” [5] Bolton, J.R (1996), “Solar photopdroduction of hydrogen: A review”, Solar Energy, , 57(1): p 37-50 [6] Cerri, I., et al (2012), “Scientific Assessment in support of the Materials Roadmap enabling Low Carbon Energy Technologies”, in JRC cientific and Technical Reports, European Commission, Joint Research Centre, Insitute for Energy and Transport, SETIS p 62 [7] E.g Griffiths DJ, (1995), “Introduction to quantum mechanics”, Prentice-Hall, Engelwood Cliffs [8] Errol G Lewars, (2016), “Computational Chemistry_ Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics”, Springer International Publishing [9] Green, M.A., et al (2015), “Solar cell efficiency tables (Version 45), Progress in Photovoltaics: Research and Applications”, 23: p 1-9 59 [10] Holladay, J.D., et al (2009), “An overview of hydrogen production technologies”, Catalysis Today, 139: p 244-260 [11] James, B.D., et al Photoelectrochemical (2009), (PEC) “Technoeconomic Hydrogen Analysis Production”, of Directed Technologies: Arlington, Virginia USA [12] Koma, A., and K Yoshimura (1986), “Ultrasharp interfaces grown with van der Waals epitaxy”, Surf Sci 174:556–560 [13] Koroneos, C., et al (2004), “Life cycle assessment of hydrogen fuel production processes”, International Journal of Hydrogen Energy, 29: p 1443-1450 [14] Kuc, A (2015), “Low-dimensional transition-metal dichalcogenides”, Pp 1–29 in M Springborg, and J Joswig, ed Chemical modelling: volume 11 The Royal Society of Chemistry, London, UK [15] M.Grätzel and A.J McEvoy (2004), “Hydrogen Production by Solar Photolysis of Water in American PhysicalSociety Symposium Basic Research for the Hydrogen Economy” Montreal, Canada: EcolePolytechnique Fédérale de Lausanne [16] Nguyễn Thành Tiên, Lại Thị Hồng Yến, Võ Khƣơng Điền Huỳnh Thị Mỹ Duyên, (2017), “Tính chất điện tử cấu trúc siêu mạng dựa dãy dị chất ZnO/GaN kiểu armchair” [17] Onda, K., et al (2005), “Wet Electrons at the H2O/TiO2 (110) Surface”, Science, 308(5725): p.1154-1158 [18] R G Parr and W Yang, (1989), “Density functional theory of atoms and molecules”, Oxford University Press, New York, [19] Samantha Hilliard (2016), “Water splitting photoelectrocatalysis: the conception and construction of a photoelectrocatalytic water splitting cell”, Material chemistry Université Pierre et Marie Curie – Paris VI, 60 English ffNNT : 2016PA066034ff fftel-01358735ff [20] Seferlis, A.K and S.G Neophytides (2013), “On the kinetics of photoelectrocatalytic water splitting on nanocrystalline TiO2 films” Applied Catalysis B: Environmental 132-133: p 543-552 [21] Slater JC (1975), “Solid-state and molecular theory: a scientific biography”, Wiley, New York [22] St-Amant A (1996) “Reviews in computational chemistry”, Chapter 5, vol Lipkowitz KB, Boyd DB (eds) VCH, New York; p 223 [23] Tanushree Bhattacharjee, 2011, “Towards Understanding Catalytic processes for the Reactivity of Hydrocarbons on Rh Surface: A Quantum Chemical Study” [24] Tilley, S.D., et al (2010), “Light-Induced Water Splitting with Hematite: Improved Nanostructure and Iridium Oxide Catalysis”, Angewandte Chemie, 122 [25] Tongming Su, Qian Shao, Zuzeng Qin, Zhanhu Guo, and Zili Wu, “Role of Interfaces in Two-Dimensional Photocatalyst for Water Splitting” [26] Van-de-Krol, R., et al (2012), “Photoelectrochemical Hydrogen Production”, Electronic Materials: Science & Technology, ed H.L Tuller, Springer New York Dordrecht Heidelberg London: Springer [27] Walter, M.G., et al.(2010), “Solar Water Splitting Cells”, Chemical Reviews (ACS Publications), 110(11): p 6446-6473 [28] www.vasp.at/about/ [29] Xiao Hai, Wei Zhou, Kun Chang, Hong Pang, Huimin Liu, Li Shi, Fumihiko Ichihara, and Jinhua Ye, “Engineering Crystallinity of MoS Monolayers for Highly Efficient Solar Hydrogen Production” [30] Yang, D., S J Sandoval, W M R Divigalpitiya, J C Irwin, and R 61 F Frindt (1991), “Structure of singlemolecular-layer MoS2” Phys Rev B 43:12053–12056 [31] Yang, J., et al (2013), “Roles of Cocatalysts in Photocatalysis and Photoelectrocatalysis”, Accounts of Chemical Research [32] Yunxuan Zhao, Shuai Zhang, Run Shi, Geoffrey I.N Waterhouse, Junwang Tang, Tierui Zhang, “Two-dimensional photocatalyst design: A critical review of recent experimental and computational advances”